基于STC89C51單片機的播種性能檢測系統(tǒng)研究

劉 琳

（遼寧省農業(yè)機械化研究所，沈陽 110161）

播種機械是現(xiàn)代農業(yè)生產中不可或缺的重要設備[1]，排種器是其主要部件，決定排種質量。在傳統(tǒng)播種作業(yè)過程中，操作人員無法精確掌握排種量、播種合格率、株距等數(shù)據(jù)，也難以發(fā)現(xiàn)種子漏播、重播等問題。播種是農業(yè)生產過程中的基本環(huán)節(jié)，播種質量的優(yōu)劣是出苗、保苗和增產的前提，高效精準檢測排種器作業(yè)性能成為保障播種質量的技術關鍵。近年來，計算機技術的不斷發(fā)展為播種性能檢測提供了技術支持。設計一種基于STC89C51單片機的播種性能檢測系統(tǒng)，利用光電檢測技術實現(xiàn)以上功能，以確保播種質量。

1 播種性能檢測系統(tǒng)設計

1.1 硬件設計

播種性能檢測系統(tǒng)包括中央處理器、復位電路、時鐘電路、檢測電路、顯示電路、報警電路、電源電路等功能模塊。中央處理器選擇STC89C51 單片機，這是一種低功耗、高性能的8 位CMOS 控制器，具有8K 系統(tǒng)可編程序Flash 存儲器，其組成的電路結構簡單、運行穩(wěn)定、成本低廉。檢測電路選擇紅外光電傳感器，采用編碼和解碼技術，可最大限度地解決自然光線干擾問題，具有可靠性高、工作穩(wěn)定性好的特點。其他外圍電路選擇與單片機相匹配的元器件即可。

1.2 軟件設計

單片機設計編程選用keil 作為開發(fā)環(huán)境，運用C語言執(zhí)行軟件編程。工作程序流程圖如圖1所示。

圖1 工作程序流程圖Figure 1 Flowchart of the working procedure

工作過程為：單片機上電，系統(tǒng)初始化，同時對光電傳感器系統(tǒng)供電，光電傳感器系統(tǒng)工作，將光信號轉換為電信號，輸送給單片機識別。經(jīng)單片機處理后得到的實際播種量與預設的播種量進行比較，如果超出預設的允許誤差范圍，則輸出信號給光電報警裝置報警，同時顯示播種情況。播種機單位時間行進的距離信號和播種情況經(jīng)單片機處理后轉化為直觀的株距，經(jīng)數(shù)字顯示模塊顯示。

1.3 工作原理

機具工作時，如果光電檢測電路沒有檢測到種子下落或檢測到連續(xù)多粒種子下落，則不符合預設程序，此時單片機輸出信號給顯示電路，顯示實際播種情況并儲存。當預設株距長度內沒有落種或連續(xù)出現(xiàn)多粒落種時，也不符合預設程序，此時單片機判定出現(xiàn)問題，給報警裝置輸出信號，報警裝置進行聲光警報。

機具作業(yè)速度由安裝在播種機地輪處的光電檢測電路提供，通過單片機換算，得出機具工作速度。播種株距為機具工作速度與相鄰兩次排種下落時間差的乘積。通過單片機編程將預設株距與實際計算株距相比較，當實際株距不符合預設株距范圍時，單片機向報警裝置輸出信號，報警器報警提醒駕駛員并實時顯示工作情況。

2 主要零部件設計

2.1 光電檢測電路

為避免傷種和干擾種子下落，光電檢測電路采用無接觸式光電傳感器。紅外發(fā)射接收是利用紅外線進行傳遞信息的一種控制方式，其電路簡單，容易實現(xiàn)編碼和解碼，功耗小、成本低，具有較強抗干擾能力。電路主要由調制、發(fā)射、接收和電壓比較電路構成，如圖2所示。設計所選用的紅外發(fā)光二極管平均有效探測距離0～30 cm 可調，具有良好的抗外界光干擾能力，日光下可正常工作，能保證檢測需求。

圖2 光線檢測電路構成Figure 2 Composition of light detection circuit

排種檢測電路由安裝在導種管下的紅外發(fā)射管、紅外接收器和相關電路組成。排種器排出的種子在下落過程中會劃過紅外發(fā)射管和接收器組成的光幕，遮斷光線，使紅外接收二極管失去信號，從而檢測到種子下落和粒數(shù)。經(jīng)電壓比較器后，將信號輸送給單片機系統(tǒng)進行統(tǒng)計計算[2]。如果在程序規(guī)定時間內光幕沒有被遮蔽，則與單片機連接的檢測電路及相關端口也會發(fā)生電平變化，此時單片機按程序將工作指令發(fā)送給報警電路報警。這種設計的目的是避免偶發(fā)性缺種造成頻繁報警。

對機具前進速度的檢測，由光電檢測電路完成。該電路由拖拉機輪胎腹板和平行放置的發(fā)射器和接收器組成。機具作業(yè)時，拖拉機輪胎轉動，輪胎腹板上的輻條及孔眼結構會反射紅外發(fā)射管發(fā)射的光線，紅外接收器接收到這些斷續(xù)的信號后，由電壓比較器將信號輸送給單片機系統(tǒng)，從而計算出機具的前進速度，同時，單片機系統(tǒng)還會計算出排種器的性能指標。

2.2 單片機模塊

STC89C51 單片機是高性能、低功耗的8 位微處理器，具有RISC結構，內部集成2個16位定時器／計數(shù)器和5個微型計算機（兩個優(yōu)先級中斷源的一種控制芯片）。STC89C51 單片機系統(tǒng)包括晶振、存儲器、地址鎖存器、邏輯門、七段譯碼器（顯示器）、按鈕（類似鍵盤）、擴展芯片、接口等，共有40 個引腳，其作用可分為電源、時鐘、控制和I/O引腳四大類。引腳及功能如圖3所示。

圖3 STC89C51單片機引腳功能圖Figure 3 Pin function diagram of STC89C5l SCM

2.3 鍵盤按鍵模塊

鍵盤系統(tǒng)主要用于檢測系統(tǒng)所需工作指令和工作參數(shù)的輸入，設有16 個按鍵，分別是啟動鍵、暫停鍵、播種誤差設置鍵、總播量顯示鍵、清零鍵、復位鍵等。由于STC89C51 單片機端口數(shù)的限制，按鍵模塊設有三路獨立的輸入按鍵，直接接到單片機的P1.0，P1.1，P1.2 端口，用于手動與自動之間的切換。P1.0鍵為自動與手動模式切換按鍵，常閉時為自動模式，強制斷開時為手動模式，主要在清種時使用。P1.1，P1.2連接的按鍵用于強制運轉。

2.4 顯示與報警電路

顯示裝置選用迪文DMG80600C080-01W型號觸摸顯示屏，采用M600內核，功能完善，電路結構簡單，僅需4 條數(shù)據(jù)線與單片機連接即可完成數(shù)據(jù)傳輸與顯示。該裝置內部自帶串口電平轉換電路，系統(tǒng)抗干擾能力強[3]。顯示裝置自帶操作指令軟件系統(tǒng)，終端顯示是基于圖形界面進行操作的，圖形界面開發(fā)與軟硬件開發(fā)同時進行，應用簡單。

警報裝置由蜂鳴器和報警燈組成，由開關三極管控制。當出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象時，單片機向報警裝置發(fā)出指令，蜂鳴器會發(fā)出持續(xù)的聲響，同時報警燈閃亮，提醒操作員排除故障。

2.5 系統(tǒng)供電電路

檢測系統(tǒng)電源由拖拉機蓄電池提供，由拖拉機蓄電池、開關K、熔斷器FU、隔離二極管D、濾波電容器C1，C2，C3，C4、三端穩(wěn)壓集成電路IC7805、保險電阻R1、限流電阻器R2 和電源指示發(fā)光組成。如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖Figure 4 Schematic diagram of the power supply circuit

該電路經(jīng)開關K、熔斷器FU、濾波電容器C1 及C2、隔離二極管D，與拖拉機蓄電池12 V電源隔離，使其變成穩(wěn)定的12 V 電源，再通過三端穩(wěn)壓集成電路IC7805 降壓穩(wěn)壓、濾波，變成系統(tǒng)穩(wěn)定的5 V 直流電源，從而為單片機及其他邏輯單元供電。

3 試驗效果

基于STC89C51 單片機的播種性能檢測系統(tǒng)于2022 年4 月安裝在遼寧省農業(yè)機械化研究所播種試驗臺上進行試驗，結果表明：該系統(tǒng)具備排種量、播種合格率、株距等多項檢測功能，出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象時能及時有效識別報警，具有電路簡單、成本較低、檢測準確、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。鑒于該系統(tǒng)僅在試驗室內進行了初步試驗，有待在應用實踐中加以充分驗證和優(yōu)化設計，使其具備實際應用價值。